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CONCEPTION D'UN SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES

quatrième partie (4/7) : bus de terrain et USB

système automatisé de production un vrai casse­têtele bus de terrain ses avantages

l'exemple du Bitbus un parmi d'autresle concept usb l'interface informatique

le bus PCI­Express le dernier né

une collection d'icônespour visiter tout le site

système automatisé de productionPrécisons  enfin  un  concept  en  pleine  expansion  en  milieu  industriel  qui  est  celui  de  bus  de  terrain  et  mérite  quelquesremarques.

L'illustration donnée ci­dessus, inspirée d'un projet européen ESPRIT, et représentant synthétiquement un Système Automatiséde Production (SAP)  très hétérogène montre à  l'évidence  la complexité que  l'on peut  rencontrer sur  le  terrain ou de nombreuxtypes de réseaux caractérisés chacuns par une structure de bus et des protocoles d'échanges peuvent cohabiter au sein de lamême entreprise. 

 On aura ainsi

des réseaux locaux dédiés à l'instrumentation (Fieldbus),des réseaux d'automates programmables industriels (factor),un réseau local industriel général (MAP par ex. ici)et un réseau bureautique (éthernet).

Qu'est­ce qu'un bus de terrain?Le  bus  de  terrain  ou  Fieldbus  est  un  terme  générique  qui  désigne  un  type  de  réseau  de  communications  digitales  quiprogressivement  va  remplacer  dans  l'industrie  le  bon  vieux  concept  de  transmission  analogique  4­20  mA  par  un  bus  sérienumérique bi­directionnel et susceptible de relier des dispositifs indépendants (c'est à dire isolés sur  le terrain d'où l'appellationbus de terrain) tels des contrôleurs, capteurs et actionneurs. Partant du principe que tous ces dispositifs sont munis d'un certaindegré  d'autonomie  (capacité  calculatoire,  possibilité  d'auto­diagnostic...)  l'objectif  est  donc  de  remplacer  un  réseau  dont  lecontrôle est centralisé par un réseau à contrôle décentralisé.

Il est clair dans un tel contexte qu'un instrument de mesure devra non seulement respecter certaines spécifications techniquesqui  lui sont propres, mais aussi comporter des  fonctionnalités complémentaires  lui permettant de dialoguer efficacement avecl'ensemble de son environnement en tenant compte des 4 grandes fonctions d'un SAP à savoir

la conduite du processus de production,la sécurité (hommes et machines),la maintenance (assurant la disponibilité du processus de production)et le suivi (mémorisant l'état instantané et passé de l'installation et de sa production).

A cet effet le bus de terrain, sur lequel tous les instruments sont connectés en parallèle comporte a priori 3 types de lignes:

les lignes d'adresse,les lignes de contrôle chargées de transmettre des commandes du type input/output, read/write,...les lignes de données qui sont parfois multiplexées avec les (ou certaines) lignes d'adresse

Dans  un  tel  système,  un  contrôleur  (microprocesseur  ou  ordinateur)  dispose  d'un  programme  dont  le  flot  d'instructions  vaadresser l'un après l'autre chaque instrument selon un séquencement précis. Et l'on devra évidemment prendre un minimum deprécautions pour faire en sorte qu'un seul instrument à la fois ne soit activé afin d'éviter les conflits et court­circuits. 

Cependant  l'objectif  économique  du  bus  de  terrain  n'est  pas  véritablement  atteint  avec  une  structure  multiligne  telle  celleprécisée ci­dessus, c'est pourquoi les travaux sur les bus de terrain se sont orientés généralement vers le développement d'unbus  série  constitué  alors  d'une  simple  paire  torsadée.  Deux  groupes  de  réflexion  internationaux  semblent  actuellement  sedégager de  la multitude des approches  : WorldFIP  (pour Factory  Instrumentation Protocol) et  l'ISP  (Interoperable SystemsProject)  les  deux  ayant  pour  objectif  d'être  conforme  au  standard  ISA  (Instrument  Society  of  America)  SP50  ont  fini  parfusionner pour former la Fieldbus Foundation en 1994.

Quels sont les arguments militant en faveur du bus de terrain pour remplacer la liaison 4­20mA ?

Fondamentalement deux arguments militent en faveur des bus de terrain :

la communication par bus permet d’échanger des données qui sont difficilement ou pas du  tout  transmissiblesautrementl’échange des données s’effectue par un mécanisme standard

On peut en déduire toute une série d’autres arguments :

flexibilité d’extension et raccordement de modules divers sur une même lignedistances plus grandes qu’avec un câblage traditionnelréduction massive des câbles. En effet en 4­20mA il faut 2 câbles par dispositif jusqu'au système central, alors

qu'ici on a aussi 2 câbles mais c'est la même paire qui relie tous les dispositifs en sérieétendue des domaines d’applicationréduction des coûts globauxsimplification de la mise en servicedisponibilité d’outils de mise en service et de diagnosticpossibilité de connexion de produits de différents fabriquants

Il  y a bien évidemment quelques difficultés qui ont d'ailleurs grandement  contribué à  la  lenteur de progression de ce conceptchez les utilisateurs industriels, on peut citer :

la nécessité de connaissances nouvellesle  coût  et  le  temps  de  formation  des  utilisateurs.  Ainsi  dans  une  unité  de  production  normande,  filiale  d'un

groupe  allemand,  l'introduction  du  SAP  harmonisant  l'ensemble  des  unités  européennes  du  groupe  nécessiteplusieurs mois de formation de certains utilisateurs qui eux­mêmes seront  responsables de  la  formation de  leurscollègues.  Il  en  résulte  une  transition  qui  prendra  environ  un  an,  avec  sans  doute  une  multitude  d'incidentsprévisible qui affecteront aussi bien le service production que les services commerciaux.les investissement en équipements et accessoires (outils de monitorage, etc.). C'est  l'argument énoncé le plus

souvent par ceux qui en fait ne veulent pas s'initier à une nouvelle technologie et insistent alors sur ces surcoûtsapparents (qui sont cependant amortis très vite puisqu'ils permettent une mise en place plus rapide et plus sûre etaident à la maintenance prédictive).la compatibilité entre équipements de fournisseurs différents n'est pas toujours aussi réelle que l’on dit (cela est

du au  fait que  la norme fieldbus a mis un certain  temps à se stabiliser, c'est donc un problème de  jeunesse quidoit à moyen terme disparaître).

l'exemple du Bitbus

A titre d'exemple nous donnons ci­dessous les caractéristiques d'un bus de terrain le Bitbus: 

Son mérite n’est pas d’être meilleur que  les autres, mais plutôt d’être  le premier des systèmes de communication  industrielleaccessible à  tous. Le Bitbus a été conçu par  Intel au début des années  ‘80'  comme système ouvert de communication. Sesspécifications  ont  été  publiées  en  1983.  Sur  cette  base  Intel  a  développé  un  chip  intégrant  toute  la  fonctionnalité  de  lacommunication,  offrant  ainsi  aux  développeurs  de  circuits  un  accès  très  aisé  à  cette  technologie.  Sa  diffusion  peut  seconsidérer aujourd’hui encore comme la plus  large dans  le monde  industriel. En 1991 une commission  internationale a  fixé cestandard de­facto dans la norme IEEE­1118, en y ajoutant quelques nouvelles caractéristiques ne compromettant toutefois pasla compatibilité avec les systèmes déjà présents sur le marché. Malgré que ce soit le plus ancien bus sur le marché, il se basesur une technologie exploitée dans les réseaux téléphoniques digitaux: le protocole SDLC. Ses caractéristiques principales sontles suivantes:

structure master­slave (un dispositif esclave peut devenir maître et vice et versa)messages allant jusqu’à 248 bytescadences de 62,5 ou 375 kbit/sdistances jusqu’à 13,5 km par segment, à 62,5 kbit/s, ou 1200 m à 375 kbit/sstructure physique RS­485 avec câble à paire torsadée (de préférence blindé)une interface d’application définie (fonctions RAC = niveau 7 du modèle OSI)possibilité  de  broadcast  et  multicast  de  messages  du master  à  tous  ou  à  un  groupe  de  slaves  (d’après  les

nouvelles normes)possibilité d’insérer jusqu’à 2­3 répéteurs en cascadediffusion à niveau mondial

Notons enfin que si un nombre impressionnant de bus existe,  les réseaux informatiques semblent à  l’heure actuelle convergerde  plus  en  plus  vers  le  protocole  TCP/IP  .  Pourquoi  donc  dans  les  applications  industrielles  ne  se  passe­t­il  pas  la  mêmechose?  Mais  souvent  ce  ne  sont  pas  les  caractéristiques  techniques  qui  imposent  un  choix,  mais  plutôt  des  aspectscommerciaux  et,  aussi,  politiques.  Dans  ce  domaine  les  nationalismes  sont  encore  très  marqués  :  Profibus  a  bénéficiéd’importantes  subventions  en  Allemagne.  En  France  FIP  (soutenu  par  EdF,  Elf  et  la  Télémécanique)  est  préféré  à  d’autressystèmes. Les Américains essayent par un marketing acharné de divulguer le LON. L’espoir d’une éventuelle nouvelle solutionacceptée  par  tous  pourrait  être  de  nouveau  le  TCP/IP  avec  des  accès  de  bas  niveau  (sockets  BSD).  En  effet  TCP/IP  estlargement diffusé sur les PC qui connaissent un véritable boom dans le secteur industriel et un certain nombre de précurseursenvisagent l'utilisation d'Ethernet pour relier des capteurs et des actionneurs tel R. Perdriau [11]. Toutefois  le risque de réaliserun réseau ayant une sécurité physique relative et une insuffisante protection des données à cause de la liaison avec Internet, etses  pirates  et  diffuseurs  de  virus,  freine  certainement  ce  développement  actuellement.  C'est  pourquoi  un  nouveau  protocoleIPsec (pour sécurisé) a été défini par le comité technique ad hoc de l'organisation IEEE et commence à être mis en oeuvre surle réseau.

Passerelles :Actuellement,  et  dans  l'attente  que  les  capteurs  et  actionneurs  soient  directement  compatibles  Ethernet,  on  commence  àtrouver sur le marché des passerelles ethernet pour réseaux de terrain qui permettent d'échanger des données provenant de l'undes  réseaux de  terrain  standard  connecté aux E/S et  à  la mémoire  interne du process. Une  telle  passerelle  peut  fonctionnersous Windows CE  et  posséder  son  propre  serveur  web.  Ce  qui  permet  d'ailleurs  de  la  configurer  aussi  bien  localement  qu'àdistance via TCP/IP. Précisons que  le  franchissement de  la passerelle implique un changement de protocole, c'est à dire unemise  en  forme  des  données  (les  données  sont  lues  sous  windows,  puis  formatées  selon  le  protocole  de  sortie  avant  d'êtreréexpédiées vers ladite sortie (web ou bus).

ex de passerelle PVK40 reliant  le monde internet et  les bus de terrain type Profibus, DeviceNet, Interbus, CanOpen, SDS,AS­interface, Modbus Plus (constructeur HIGHCOM).

Notons  qu'il  est  aussi  possible  d'interfacer  une  liaison  RS232  avec  ethernet  10base­T,  ici  encore  de  nombreuses  cartesd'interconnexion  ont  été  développées,  qui  possèdent  souvent  un  processeur  et  de  la  mémoire  type  flash  permettant  unesauvegarde temporaire (ou permanente) de pages web.

Dans le chapitre suivant nous faisons le point sur les solutions sans câblage et leurs exploitations sous TCP/IP.

la solution USBLa technologie USB (universal serial bus) est la solution la plus récente pour interconnecter en série de nombreux périphériques.En pratique on s'aperçoit que  l'on doit,  si  l'on veut exploiter plusieurs périphériques, multiplier  les hubs, ce  qui  revient  à  direque  l'on  a  déporté  le  problème  de  communication.  La  figure  ci­dessous montre  un  exemple  d'architecture  préconisée  par  legroupe de constructeurs réunis dans l'organisation usb. 

 topologie typique d'un système tout USB

La norme USB 2.0 définit 3 vitesses de communication : 1,5 Mbps (Low Speed), 12 Mbps (Full Speed), 480 Mbps (High Speed).

Le fonctionnement en mode High Speed possède des caractéristiques très différentes des modes Low Speed et Full Speed. Ilne s'applique actuellement qu'aux applications de type vidéo, télécom et transmission haute vitesse pour lesquelles les driversrestent encore quasi inexistants.

Les applications Low Speed concernent  essentiellement des périphériques  interactifs  (claviers,  souris,  consoles), mais  aussides afficheurs, des lecteurs (de carte à puce) et, ce qui nous intéresse ici, des applications en automatisme (mesure, capteurs)appelées à se développer.

Les  avantages  de  l'usb  sont  nombreux:  faible  coût  de  l'interface,  alimentation  possible  des  dispositifs  via  le  câble,indépendance vis à vis des machines hôtes, Hot Plug & Play  (c'est à dire branchement et  débranchement  sans avoir  besoind'arrêter  le PC),  jusqu'à  127  périphériques  possibles,  fiabilité  et  sécurité  (détection  et  correction  d'erreurs),  plusieurs  vitessespossibles et 4 types de transferts.

Notons qu'à l'initialisation d'un "device" (ou d'une "fonction" selon la terminologie utilisée par le groupement USB) celui­ci reçoitune adresse. Les transferts Full Speed déclenchés par le "host" parcourent tous les tronçons, mais seule la fonction adresséeva évidemment répondre. 

Les solutions USB dans  le domaine de  l'instrumentation sont appelées à se développer en raison de  la simplicité du mode deconnexion. En particulier certains services de métrologie en milieu  industriel apprécient  la possibilité de connecter à chaud unbloc capteur­conditionneur sur un ordinateur portable pour valider ou requalifier cet ensemble sans avoir besoin de démonter toutun ensemble.

Pour en savoir plus sur l'USB consultez le module PC.

le bus PCI­Express

Le  gros  problème  en  instrumentation  est  l'absence  de  consensus  pour  définir  une  norme  d'interfaçage.  La  tendance  estévidemment de relier les capteurs de diverses manières à un ordinateur situé en bout de chaîne. La solution USB présente desavantages, mais sa bande passante reste relativement  limitée et elle  introduit un circuit supplémentaire à  l'entrée du PC (hostcontroller)  dédié  à  cette  seule  liaison.  Par  ailleurs  sur  la  carte­mère  d'un  PC  plusieurs  types  de  bus  cohabitent  et  seconcurrencent.  Dans  un  souci  de  rationnalisation  et  de  simplification  les  constructeurs  ont  donc  imaginé  de  remplacerl'ensemble des bus  internes d'un PC  par  un  nouveau  type  appellé PCI Express  qui  est  basé  sur  un  principe  série  à  largebande  passante  et  un  protocole  de  communication  s'inspirant  d'internet  et  qui  va  permettre,  parmi  diverses  possibilités,l'interfaçage simplifié des systèmes d'instrumentation. 

Pour en savoir plus sur le PCI­Express consultez le module PC.

D'ores  et  déjà  on  trouve  sur  le marché des  cartes  d'extension EXPRESS­CARD basée  sur  le  bus PCI­Express  quel  est  leurintérêt pour la mesure et l'automatisation? 

Hautes performances : Une bande passante double de celle du PCI, et qui croît linéairement à mesure que l'on ajoute des voies, permetd'augmenter  les  vitesses de  transfert  des  données  (2,5 Gbits/s).  En  outre  cette  bande  passante  est  disponiblesimultanément dans les deux sens sur chaque ligne. Simplification des E/S : La  rationalisation  des  bus  internes,  (AGP, PCI­X, HubLink  )  réduit  la  complexité  des  conceptions  et  le  coût  demise en œuvre. Architecture en couches : Permet de s'adapter aux nouvelles technologies en préservant les investissements logiciels. transferts isochrones: Les  transferts  isochrones  de  données  garantissent  le  transfert  des  données  à  temps,  grâce  à  des  méthodesdéterministes. Facilité d'utilisation : Cette technologie va simplifier à la fois la mise à niveau des systèmes et l'ajout de nouveaux matériels. Comme

l'USB il permet l'insertion et le remplacement à chaud du matériel.

Toutes  ces  caractéristiques  font  que  l'usage  du  PC  comme  support  des  systèmes  d'instrumentation  va  s'étendre  encoredavantage dans les prochaines années. 

Quelques liens utiles : PCI Express PCIe-GPIB : 1ère carte PCI Express pour la mesure